Characterization of the interaction and permeation of drug-like molecules through membrane models including P-glycoprotein

Abstract

A chegada de moléculas e drogas aos seus locais de destino é influenciada pela sua capacidade de permeação por barreiras biológicas tais como membranas biológicas e monocamadas celulares. Por esta razão, é crucial considerar os vários passos envolvidos na permeação no desenvolvimento de novos medicamentos. Neste contexto, tem particular relevância o transporte ativo de moléculas por proteínas membranares como a P-glicoproteína (P-gp), presente em vários tecidos, onde contribui para o efluxo de moléculas da membrana para o meio extracelular. O estudo desta proteína é especialmente importante no contexto da resistência a múltiplos fármacos em células cancerígenas e no estudo da permeação pela Barreira Hematoencefálica, que possui uma grande quantidade de transportadores. Neste estudo foram usadas simulações de dinâmica molecular com o campo de forças Martini para caracterizar a interação de diversas moléculas análogas a fármacos com um modelo membranar que inclui a P-gp. O sistema é composto por uma bicamada lipídica com uma grande diversidade de lípidos, bem como pela P-gp. Os lípidos estão distribuídos assimetricamente pelas duas monocamadas, assemelhando-se à membrana plasmática onde a P-gp se encontra. A simulação computacional reproduziu a formação de uma camada anelar de fosfatidil serina e um enriquecimento em colesterol à volta da P-gp, o que está de acordo com resultados experimentais descritos na literatura. Perfis de Potencial de Força Média foram usados para estudar a interação de moléculas com a bicamada lipídica e com a P-gp. As moléculas escolhidas incluem a série homóloga de sondas florescentes NBD-Cn, com diferentes tamanhos de cadeia, e um grupo de compostos fenólicos com benefícios para a saúde. Estes últimos incluem a capsaicina, curcumina, EGCG, genisteína e resveratrol. As moléculas NBD-Cn interagiram favoravelmente com a bicamada, especialmente as moléculas com cadeias maiores. No entanto, a transferência destas moléculas das suas posições de equilíbrio na membrana para a P-gp não foi favorável. Valores estimados para a variação de energia livre associada à transferência destas moléculas da água para a proteína são também positivos. No caso dos fitoquímicos, a transferência da capsaicina e do resveratrol da membrana para a P-gp também não foi energeticamente favorável. Pelo contrário, a interação da curcumina, genisteína e EGCG com a proteína levou a uma diminuição dos valores de energia livre, o que sugere que estes fitoquímicos poderão ser potenciais substratos da P-gp. Os valores de variação de energia livre associada à transferência dos fitoquímicos estudados da água para a membrana e da água para a proteína foram também negativos. Por último, foi feita a caracterização das interações de todas as moléculas estudadas com resíduos da P-gp. A maioria destas interações é também encontrada para outros substratos e inibidores da P-gp já descritos na literatura.

The arrival of drugs at their target sites is influenced by their rate of permeation through physiological barriers, such as cell membranes and cell monolayers. It is therefore important for the development of new drugs to understand and characterize the various steps involved in the permeation process. In the study of membrane permeation, it is also relevant to consider the active transport of drugs by membrane proteins such as the P-glycoprotein (P-gp). The P-gp is found in various tissues, where it contributes to the efflux of drugs from the lipid bilayer to the extracellular medium. P-gp has mostly been studied in the context of multidrug resistance in cancer cells, and the permeation of drugs through the Blood Brain Barrier (BBB), that expresses high levels of this protein. In this work, coarse-grained molecular dynamics simulations with the Martini force field were used to characterize the interaction of diverse molecules with a model of a lipid bilayer containing P-gp. The model system consisted of a lipid bilayer containing P-pg, and with a diverse composition of lipids. The lipids are distributed asymmetrically between the two monolayers, mimicking the plasma membrane where P-gp is encountered. The computational simulation of this system was able to reproduce the annular phosphatidyl serine layer around P-gp that is found experimentally, as well as an enrichment in cholesterol and POPC. Potential of mean force profiles were used to study the interaction of different molecules with the lipid bilayer and/or with P-gp. The molecules addressed include an homologous series of fluorescent probes NBD-Cn, with varying chain lengths, as well as a group of phenolic phytochemicals with reported health benefits. These include capsaicin, curcumin, epigallocatechin gallate (EGCG), genistein and resveratrol. The NBD-Cn molecules were found to interact favorably with the lipid bilayer, especially the molecules with longer chains. However, the transfer of the molecules from their equilibrium positions in the membrane to the P-gp was energetically unfavorable. Moreover, estimated free energy variations for the transfer of NBD-Cn molecules from the water directly to the protein were also positive. In regard to the phytochemicals, the transfer of capsaicin and resveratrol from the membrane to the P-gp was found to be energetically unfavorable as well. On the contrary, the interaction of curcumin, genistein and EGCG with P-gp resulted in a decrease in free energy, which suggests that these molecules might be potential P-gp substrates. Estimated free energy variations for the interaction of all phytochemicals with the membrane and for the transfer from the water to the protein were negative. Lastly, the interactions of the various molecules with P-gp residues were identified. Most of these interactions were found to be common to other molecules in the literature, both substrates and inhibitors of P-gp.